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Die
Erfindung betrifft eine Verstärkerschaltung
für einen
Sender, die sich zur Verwendung in beispielsweise einem tragbaren
CDMA-Telefon eignet (d. i. ein Telefon mit Vielfachzugriff im Codemultiplex;
CDMA = Code Division Multiple Access). Eine solche Verstärkerschaltung
gemäß Oberbegriff
des Anspruchs 1 ist aus der
JP-OS
Hei 6-508012 (1994) entspricht
DE 42 91 711 T1 bekannt.
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Bei
einem tragbaren CDMA-Telefon befinden sich in den Hochfrequenzverstärkerkreisen
eines Sendeteils und eines Empfangsteils üblicherweise Verstärkerschaltungen
mit veränderbarer
Verstärkung
(im folgenden als "veränderbare
Verstärkerschaltungen" bezeichnet), die
eine Verstärkung über 80 dB
oder mehr verändern
können,
um die Nachrichtenübertragung
bei Bewegungen des Geräts
aufrechtzuerhalten. 3 zeigt eine Hochfrequenzstufe eines
tragbaren Telefons, welches mit den dualen Betriebsarten CDMA und
FM ausgestattet ist. Zuächst
soll der Aufbau des aus der obigen Druckschrift bekannten Sendesystems
(TX-Systems) beschrieben werden. Ein von einem Modem 101 moduliertes ZF-(Zwischenfrequenz-)Sendesignal
wird von einer QPSK-Modulierschaltung 102 QPSK-moduliert
(mittels Vierphasenumtastung moduliert). Dann wird das modulierte
Signal von einer senderseitigen veränderbaren Verstärkerschaltung
(TX-AMP) 103 verstärkt, welches
dann von einem Mischer (MIX) 104 mit einem Überlagerungssignal
von einem lokalen Überlagerungsoszillator
(OSC) 121 gemischt und dann in ein HF-(Hochfrequenz-)Sendesignal
umgesetzt wird. Das HF-Sendesignal wird über ein Bandpaßfilter 105,
einen Leistungsverstärker
(PA) 106, einen Duplexer 107 und eine Antenne 108 gesendet.
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Als
nächstes
wird der Aufbau eines Empfangssystems (RX-System) beschrieben. Ein über die
Antenne 108 empfangenes HF-Empfangssignal gelangt über den
Duplexer 107, einen rauscharmen Verstärker (LNA) 109 und
ein Bandpaßfilter 110 an einen
Mischer (MIX) 111, wo das Signal mit einem von dem lokalen
Oszillator (OSC) 121 gelieferten Überlagerungssignal gemischt
wird, um es in ein ZF-Empfangssignal umzusetzen. Das ZF-Empfangssignal
gelangt an ein CDMA-Bandpaßfilter 112 und an
ein FM-Bandpaßfilter 113,
wo entsprechend der eingestellten Betriebsart ein Ausgangssignal
abgegriffen und von einer empfangsseitigen veränderbaren Verstärkerschaltung
(RX-AMP) 114 verstärkt wird.
Als nächstes
wird dieses verstärkte
Signal von einer QPSK-Demodulierschaltung 115 demoduliert, anschließend gelangt
das Signal auf das Modem 101.
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Die
Feldstärke
des empfangenen Signals, die ihrerseits durch eine in dem Modem 101 vorhandene
Empfangssignalstärken-Anzeigeschaltung (RSSI)
nachgewiesen wird, wird von einem Vergleicher 117 mit Feldstärken-Referenzdaten
verglichen. Die Feldstärkendifferenz
zwischen den verglichenen Signalen wird an eine empfangsseitige
AGC-Spannungskorrekturschaitung 118 und an eine Sendeausgang-Korrekturschaltung 119 gelegt.
Die AGC-Spannungskorrekturschaltung 118 gibt eine AGC-Spannung
aus, so daß die
von dem Vergleicher 117 gebildete Differenz gegen "0" strebt, d. h., das Ausgangssignal des
RSSI 118 mit den Feldstärken-Referenzdaten
zur Übereinstimmung
gebracht wird, um auf diese Weise den Verstärkungsgrad der veränderbaren
Verstärkerschaltung
(RX-AMP) 114 auf der Empfangsseite zu steuern.
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Die
von dem Vergleicher 117 erzeugte Differenz und entsprechend
den Schaltungsgegebenheiten zwischen einem tragbaren Telefon und
einer Basisstation bestimmten Sendeausgangs-Korrekturdaten werden
an die Sendeausgangs-Korrekturschaltung 119 auf der Sendeseite
gegeben. Eine AGC-Spannungskorrekturschaltung 120 auf der
Sendeseite gibt eine AGC-Spannung ab, so daß ein moduliertes Signal umgekehrt
proportional ist zu dem Pegel des empfangenen Signals und entsprechend den
Sendeausgangs-Korrekturdaten, wodurch der Verstärkungsgrad der veränderbaren
Verstärkerschaltung
(TX-AMP) 103 auf der Sendeseite gesteuert wird. In diesem
Fall wird zwischen der AGC-Spannung und dem Verstärkungsgrad
in einem dynamischen Bereich von mindestens 80 dB eine strenge Linearität gefordert,
damit die veränderbaren
Verstärkerschaltungen 103 und 114 auf
der Sende- bzw. der Empfangsseite miteinander verrastet arbeiten
können.
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Wie
in der
japanischen Patent-Offenlegungsschrift
Hei 6-508012 (1994) beschrieben ist, war es bisher üblich, bei
diesem Typ von Verstärkerschaltung
für den
Sender ein Verfahren zum Aufbau sowohl der ZF-Verstärkerschaltung
als auch der HF-Verstärkerschaltung
mit Hilfe veränderbaren
Verstärkungsschaltungen
zu verwenden und die einzelnen veränderbaren Verstärkerschaltungen
mit unterschiedlichen AGC-Spannungen zu betreiben, um auf diese
Weise den dynamischen Bereich von 80 dB und darüber zu realisieren.
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4 zeigt
eine solche Schaltung. Als Sendesignale verwendete I- und Q-Signale
werden von einer QPSK-Modulierschaltung 1 moduliert, wozu
die Schaltung die Signale in ein ZF-(Zwischenfrequenz-)Signal umsetzt.
Das IF-Signal wird auf zur ZF-Stufe gehörige veränderbare Verstärkerschaltungen 2 und 3 gegeben,
die in zwei Stufen ausgebildet sind, wodurch das Signal basierend
auf einer für
beide ZF-Stufen gemeinsam verwendeten AGC-Spannung VAGC1 verstärkt werden.
Das ZF-Signal wird mit einem lokalen Überlagerungssignal, das von
einem lokalen Oszillator 9 gebildet wird, mit Hilfe eines Mischers 5 gemischt
und dadurch in ein HF-Signal (Hochfrequenzsignal) umgesetzt. Das
HF-Signal wird an eine zur HF-Stufe gehörige veränderbare Verstärkerschaltung 4 gegeben,
in der es basierend auf einer AGC-Spannung VAGC2 verstärkt wird,
welche für
die HF-Stufe bereitgestellt
wird. Dann wird das HF-Signal über
einen Verstärker 6,
ein Bandpaßfilter 7 und
einen Leistungsverstärker 8 auf
die Antenne gegeben.
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Allerdings
ergibt sich bei dem Verfahren des Steuerns der zur ZF-Stufe gehörigen veränderbaren Verstärkerschaltungen 2 und 3 einerseits
und der zur HF-Stufe gehörigen
veränderbaren
Verstärkerschaltung 4 andererseits
mit Hilfe der AGC-Spannungen VAGC1
und VAGC2, die gemäß obiger
Beschreibung verschieden voneinander sind, das Problem, daß die Steuerschaltung
einen insgesamt komplexen Aufbau erhält. Das tragbare CDMA-Telefon,
bei dem das Verstärkungsmaß der Sendeschal tung
entsprechend dem Pegel (RSSI) des Empfangssignals gesteuert werden
muß, wie
dies in 3 gezeigt ist, ist gekennzeichnet
durch die Schwierigkeiten beim Erhalten der AGC-Spannungen VAGC1
und VAGC2 aus der Verstärkerschaltung
mit unterschiedlichen Kennlinien.
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Aus
der
US-A-4 816 772 ist
eine Verstärkerschaltung
bekannt, die eine Folge von Cascode-Verstärkern aufweist, die von einen
gemeinsamen Treibersignal angesteuert werden, welches aus einer AGC-Spannung
mit Hilfe einer Linearisierungsschaltung eine modifizierte AGC-Spannung
erzeugt. Dabei wird von Transistoren Gebrauch gemacht, bei denen
sich der Kollektorstrom exponentiell in Abhängigkeit einer sich linear änderenden
AGC-Spannung ändert.
Die Verstärkungsmaße der einzelnen
Cascode-Verstärker
verhalten sich linear im Bezug auf die sich linear änderende
AGC-Spannung.
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Aus
der
DE 44 11 733 A1 ist
eine HF-Detektorschaltung bekannt, bei der zur Temperaturstabilisierung
zwei zueinander parallel geschaltete Stromquellen mit positivem
bzw. negativem Temperaturkoeffizienten enthält, zu denen eine Stromspiegelschaltung
in Reihe geschaltet ist. Der gespiegelte Strom wird auf einen weiteren
Stromspiegel geleitet, der temperaturkompensierte Ströme liefert.
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Aufgabe
der Erfindung ist die Schaffung einer für einen Sender geeigneten Verstärkerschaltung der
eingangs genannten Art, die in der Lage ist, einen großen dynamischen
Bereich mit einem einfachen Schaltungsaufbau zu realisieren.
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Um
dies zu erreichen, schafft die Erfindung eine veränderbare
Verstärkerschaltung,
mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Da
erfindungsgemäß die veränderbare ZF-Verstärkerschaltung
für die
Betriebsweise mit veränderbarem
Treiberstrom und die veränderbare HF-Verstärkerschaltung
mit Betrieb bei konstantem Treiberstrom durch die linear von ein
und derselben AGC-Spannung abhängige
Verstärkung
gesteuert werden, läßt sich
ein großer
dynamischer Bereich mit einfachem Schaltungsaufbau realisieren.
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Die
Verstärkerschaltung
der vorliegenden Erfindung enthält
eine veränderbare
Zwischenfrequenz-Verstärkerschaltung,
die mit veränderbarem Treiberstrom
be trieben wird, um ein Zwischenfrequenzsignal zu verstärken, eine
Frequenzwandlerschaltung, die das von der veränderbaren Zwischenfrequenz-Verstärkerschaltung
verstärkte
ZF-Signal in ein veränderbares
HF-Signal umsetzt, eine veränderbare
Hochfrequenz-Verstärkerschaltung,
die mit konstantem Treiberstrom betrieben wird, um das von der Frequenzwandlerschaltung
umgesetzte Hochfrequenzsignal zu verstärken, und eine Verstärkungsgrad-Steuerschaltung
zum Umsetzen einer sich linear ändernden
AGC-Spannung in einen sich exponentiell ändernden Strom und zum Zuführen des
Stroms zu der veränderbaren ZF-Verstärkerschaltung
und der veränderbaren
HF-Verstärkerschaltung,
um dadurch deren Verstärkungsgrade
zu steuern.
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Im
Anspruch 2 ist eine Weiterbildung der Erfindung angegeben.
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Im
folgenden werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnung näher
erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm einer Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Sender-Verstärkerschaltung;
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2 eine
Schaltungsskizze, die die Verstärkerschaltung
nach 1 im einzelnen zeigt;
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3 ein
Blockdiagramm eines tragbaren CDMA-Telefons, bei dem die Verstärkerschaltung nach 1 eingesetzt
wird; und
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4 ein
Blockdiagramm einer konventionellen Verstärkerschaltung für einen
Sender.
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Nach 1 werden
I- und Q-Signale, die als Sendesignale verwendet werden, von einer QPSK-Modulierschaltung 1 moduliert
und in ein ZF-Signal umgesetzt. Das ZF-Signal wird an als zwei Stufen
ausgebildete veränderbare
ZF-Stufen-Verstärkerschaltungen 2 und 3 gegeben,
in denen es basierend auf einer gemeinsam für die ZF- und HF-Stufen verwendeten
AGC-Spannung VAGC verstärkt wird.
Von einem Mischer 5 wird das ZF-Signal mit einem von einem
lokalen Oszillator 9 gelieferten Überlagerungssignal gemischt
und dadurch in ein HF-Sendesignal umgesetzt. Das HF-Sendesignal wird
an eine veränderbare
HF-Stufen-Verstärkerschaltung 4 gegeben,
in der es basierend auf der AGC-Spannung VAGC, die gemeinsam für die ZF- und
HF-Stufen verwendet wird, verstärkt
wird. Dann wird das HF-Sendesignal über einen Verstärker 6,
ein Bandpaßfilter 7 und
einen Leistungsverstärker 8 an eine
Antenne ausgegeben.
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Gemäß 2 wird
eine Versorgungsspannung VCC an jeweils einen Anschluß zweier
Widerstände
R3 und R4 der veränderbaren
ZF-Stufen- Verstärkerschaltung 2 und
an die einen Anschlüsse
von Widerständen
R5 und R6 der veränderbaren
ZF-Stufen-Verstärkerschaltung 3,
die den gleichen Aufbau wie die Schaltung 2 hat, gegeben,
außerdem
an die Emitter von PNP-Transistoren Q13 und Q12 einer veränderbaren
HF-Stufen-Verstärkerschaltung 4,
an die einen Enden von Widerständen
R1 und R2 und an individuelle Kollektoren von NPN-Transistoren Q2 und
Q3. Außerdem
wird an die einzelnen Basen von NPN-Transistoren Q15, Q16 und Q14
der veränderbaren
Verstärkerschaltungen 2 bis 4 die
AGC-Spannung VAGC gelegt.
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In
der der ersten Stufe entsprechenden veränderbaren ZF-Stufen-Verstärkerschaltung 2 sind Anschlüsse zur
Abgabe von Signalen, die von der QPSK-Modulierschaltung 1 moduliert
wurden, an die entsprechenden Basen der NPN-Transistoren Q7 und
Q8 angeschlossen, sie sind weiterhin über Widerstände R8 und R7 und eine Vorspannungsquelle auf
Masse gelegt. Die anderen Anschlüsse
der Widerstände
R3 und R4 sind elektrisch mit den Kollektoren der Transistoren Q7
und Q8 und außerdem über Koppelkondensatoren
C1 und C2 elektrisch mit der veränderbaren
ZF-Stufen-Verstärkerschaltung 3 der
nächsten
Stufe verbunden. Die Emitter der Transistoren Q7 und Q8 sind elektrisch
gemeinsam an den Kollektor (der den Strom I2 führt) des Transistors Q15 angeschlossen.
Der Emitter des Transistors Q15 ist elektrisch geerdet.
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In ähnlicher
Weise sind auch bei der veränderbaren
ZF-Verstärkerschaltung 3 der
nächsten Stufe
die Koppelkondensatoren C1 und C2 elektrisch an die Basen der NPN-Transistoren
Q9 bzw. Q10 und über
Widerstände
R10 und R9 und eine Vorspannungsquelle an Massepotential angeschlossen.
Die anderen Anschlüsse
der Widerstände
R5 und R6 sind an die Kollektoren der NPN-Transistoren Q9 und Q10
angeschlossen, weiterhin über
Koppelkondensatoren C3 und C4 an den in der nächsten Stufe anschließenden Mischer 5.
Die Emitter der NPN-Transistoren Q9 und Q10 sind elektrisch gemeinsam
mit dem Kollektor des Transistors Q16 verbunden, dessen Emitter
auf Masse liegt.
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In
der veränderbaren
HF-Stufen-Verstärkerschaltung 4 sind
die Basen der Transistoren Q13 und Q12 elektrisch zusammengeschaltet
und außer dem mit
dem gemeinsamen Kollektor der Transistoren Q13 und Q14 verbunden.
Der Emitter des Transistors Q14 liegt auf Masse. Der Kollektor des
Transistors Q12 ist elektrisch mit dem Kollektor und mit der Basis eines
NPN-Transistors Q11 verbunden, ferner mit den Basen von NPN-Transistoren
Q1 bis Q4. Darüber
hinaus ist der Emitter des NPN-Transistors Q11 elektrisch zwischen
zwei Widerstände
R11 und R12 geführt,
die in Reihe geschaltet sind.
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Die
anderen Enden der Widerstände
R1 und R2 sind elektrisch mit den (den Strom I1 führenden) Kollektoren
der Transistoren Q1 und Q4 und mit dem Verstärker 6 der nächsten Stufe
verbunden. Die Basen der Transistoren Q2 und Q3 liegen gemeinsam über eine
Vorspannungsquelle E1 auf Masse. Die Emitter der Transistoren Q1
und Q2 sind elektrisch zusammengeschaltet und mit einem Anschluß eines Widerstands
R11 sowie mit dem (den Strom I0 führenden) Kollektor eines NPN-Transistors 5 verbunden.
In ähnlicher
Weise sind die Emitter der Transistoren Q3 und Q4 elektrisch miteinander
verbunden und an einen Anschluß des
Widerstands R12 sowie an den (den Strom I0 führenden) Kollektor eines NPN-Transistors Q6 angeschlossen.
Die Basen der Transistoren Q5 und Q6 empfangen ein von dem Mischer 5 erzeugtes
HF-Signal, während
die Emitter dieser Transistoren über
eine Stromquelle CS1 gemeinsam auf Masse geschaltet sind.
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Die
veränderbaren
ZF-Stufen-Verstärkerschaltungen 2 und 3 sind
jeweils von Typ mit veränderbarem
Betriebsstrom, ihre Transistoren (Q7, Q8) und (Q9, Q10) haben jeweils
einen veränderbaren Verstärkungsgrad.
Ihre Ströme
I2 werden von den Transistoren Q15 bzw. Q16 gesteuert. Im Gegensatz zu
den veränderbaren
ZF-Stufen-Verstärkerschaltungen 2 und 3 ist
die veränderbare
HF-Stufen-Verstärkerschaltung
4 vom Typ mit konstantem Betriebsstrom. Allerdings wird die sich
linear ändernde AGC-Spannung
VAGC von dem Transistor Q14 in einen sich exponentiell ändernden
Strom umgewandelt. Die in ihrem Verstärkungsgrad veränderbaren Transistoren
Q1 bis Q4 und die Verstärkungstransistoren
Q5 und Q6 bilden einen Differenzverstärker. Darüber hinaus bilden der Transistor
Q11 und die Transistoren Q1 und Q4 beide jeweils Stromspiegelschaltungen.
In ähnlicher
Weise bilden auch die Transistoren Q13 und Q12 einen Stromspiegel.
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Eine
Zellengröße des Transistors
Q11 ist auf etwa 1/50 der Größe jedes
der Transistoren Q1 und Q4 eingestellt, so daß ein im Transistor Q11 fließender Strom
keinen Einfluß ausübt auf die
Verstärkung eines
HF-Signals von den Transistoren Q1 bis Q4. Weiterhin ist die Zellengröße jedes
der Transistoren Q15 und Q16 auf das 100-fache der Zellengröße des Transistors
Q14 eingestellt, so daß in
den Transistoren Q7, Q8, Q9, Q10, Q1 und Q4 fließende Ströme einander gleichen.
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Da
die Transistoren Q1 und Q4 und der Transistor Q11 beide die Stromspiegelschaltung
in der veränderbaren
HF-Stufen-Verstärkerschaltung 4 mit einem
derartigen Aufbau bilden, fließen
die Ströme I0,
die von den Transistoren Q1 und Q4 erzeugt werden, im Verhältnis zu
dem durch den Transistor Q11 fließenden Strom. Da die in den
Transistoren Q11, Q12, Q13 und Q14 fließenden Ströme sämtlich gleich groß sind,
fließen
die Ströme
in den Transistoren Q1 und Q4 im Verhältnis zu dem Strom im Transistor Q14.
Außerdem
verhält
sich der Strom im Transistor Q14 exponentiell bezüglich der
sich linear ändernden AGC-Spannung VAGC.
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Ein
Verstärkungsgrad
PG [dB] der mit konstantem Betriebsstrom arbeitenden, veränderbaren HF-Stufen-Verstärkerschaltung 4 ist
durch folgenden Ausdruck gegeben: PG ∝ PG0 + 20log
(I1/I0) (1)wobei
PG0 der Verstärkungsgrad
bei I1 = I0 ist. Außerdem
ist die Beziehung zwischen I1 und I0 (I1/I0) durch folgenden Ausdruck
gegeben: I1/I0 ∝ [1 + exp{–VAGC·q/(kT)}] (2)wobei
- q:
- Elektronenladung
- k:
- Boltzmannkonstante,
und
- T:
- die absolute Temperatur.
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Da
die Ströme
I0 der Transistoren Q1 und Q4 exponentiell gesteuert sind, wird
der Verstärkungsgrad
PG [dB] der veränderbaren
HF-Verstärkerschaltung 4 linear
mit der sich linear ändernden AGC-Spannung
VAGC gesteuert.
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Ein
Verstärkungsgrad
PG [dB] jeder der mit veränderbarem
Betriebsstrom arbeitenden veränderbaren
ZF-Verstärkerschaltungen 2 und 3 wird
ausgedrückt
durch: PG ∝ 20log (I2) (3)
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Darüber hinaus
ist der Strom I2 durch folgenden Ausdruck gegeben: I2 ∝ exp{VAGC·q/(kT)} (4)
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Da
also die Kollektorströme
I2 der Transistoren Q15 und Q16 sich exponentiell mit der sich linear ändernden
AGC-Spannung VAGC ändern,
wird der Verstärkungsgrad
PG [dB] jeder der veränderbaren ZF-Verstärkerschaltungen 2 und 3 in ählicher
Weise linear bezüglich
der sich linear ändernden AGC-Spannung
VAGC gesteuert.
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Da
die veränderbare,
mit konstantem Strom arbeitende Verstärkerschaltung 4 mit
den Stromspiegelschaltungen aufgebaut ist, können die veränderbare
Verstärkerschaltung,
die mit konstantem Strom arbeitet, und die veränderbare Verstärkerschaltung, die
mit veränderbarem
Strom arbeitet, durch die gemeinsame AGC-Spannung VAGC gesteuert werden. Da außerdem die
veränderbaren
ZF-Verstärkerschaltungen 2 und 3 für die Betriebsart
mit veränderbarem
Strom ausgebildet sind, kann der Leistungsverbrauch reduziert werden.
Werden sie bei einem tragbaren CDMA-Telefon eingesetzt, so verlängert sich
die Betriebslebensdauer der Batterie. Da die veränderbare Verstärkerschaltung,
die mit konstantem Strom arbeitet und die veränderbare HF-Verstärkerschaltung 4 bildet,
als Basisschaltung ausgebildet ist, und weil Basisschaltungen einen
hervorragenden Frequenzgang aufweisen, wird auch dann eine gute Verstärkungsgrad-Kennlinie
erreicht, wenn im UHF-Band gearbeitet wird.
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Da
die gleiche Verstärkungsgrad-Steigung bei
dem Empfangsteil, welches die veränderbaren Verstärkerschaltungen
nur in den ZF-Stufen enthält, auch
dann realisiert werden kann, wenn die veränderbare Verstärkerschaltung 4 in
der HF-Stufe vorgesehen
ist, können
die Verstärkerschaltungen
auch bei dem tragbaren CDMA-Telefon verwendet werden, bei dem der
Verstärkungsgrad
der Sendeschaltung abhängig
von der Stärke
(RSSI) des Empfangssignals gemäß 3 gesteuert
werden muß.
Ferner lassen sich der QPSK-Modulator 1, die veränderbare ZF-Verstärkungsschaltungen 2 und 3,
der Mischer 5 und die veränderbare HF-Verstärkerschaltung 4 auf einem
IC ausbilden.
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Gemäß obiger
Beschreibung schafft die vorliegende Erfindung eine veränderbare
ZF-Verstäkerschaltung
für eine
veränderbare
Treiberstrom-Betriebsart, eine veränderbare HF-Verstärkerschaltung für eine konstante
Treiberstrom-Betriebsart, und eine sich linear ändernde AGC-Spannung wird in
einen sich exponentiell ändernden
Strom umgesetzt, wodurch das Verstärkungsmaß jeder veränderbaren Verstärkerschaltung
basierend auf dem gemeinsamen Strom gesteuert wird. Daher werden
die veränderbare
ZF-Verstärkerschaltung
mit der veränderbaren
Treiberstrom-Betriebsart und die veränderbare HF-Verstärkerschaltung
mit der konstanten Treiberstrom-Betriebsart basierend auf der Verstärkung gesteuert,
die bei ein und derselben AGC-Spannung linear ist. Hierdurch läßt sich
ein großer
dynamischer Bereich mit einem einfachen Schaltungsaufbau realisieren.